癌症中的异常糖基化：一项有前途的生物标志物和治疗靶标

癌症中的异常糖基化：一项有前途的生物标志物和治疗靶标

糖基化是一种重要的细胞和微环境特异性翻译后修饰，在健康和疾病中发挥着关键作用。近年来，随着糖组学研究的深入，科学家们发现异常糖基化与癌症的发生、发展密切相关。本文将详细介绍N-糖基化、O-糖基化、唾液酸化和岩藻糖基化等糖基化类型在癌症中的作用机制，以及其在癌症诊断和治疗中的潜在应用价值。

肿瘤相关异常糖基化类型

根据低聚糖之间连接的连接性质，已知有两种重要的糖基化类型：N-糖基化和O-糖基化。这种糖基化机制允许蛋白质的生物调节以实现选择性功能，如蛋白质折叠、细胞内运输、介导细胞-细胞和细胞-基质相互作用、改变蛋白质的半衰期、细胞粘附、宿主-病原体识别等。

图1：对聚糖表达和功能的细胞调控

大量的证据表明，载体蛋白糖基化模式的改变，包括聚糖结构的不完全合成、复杂支链N-聚糖的表达增强、截短O-聚糖（Tn和唾液酰Tn抗原）的表达，“core”糖基化的过度表达，唾液酸化聚糖的表达改变等，促进获得细胞恶性转化所需的细胞特征。这种蛋白质特异性、位点特异性和细胞特异性肿瘤相关聚糖修饰增加了细胞群和微环境中的分子异质性。糖基化的变化似乎直接影响细胞的生长和生活，肿瘤相关的免疫反应和转移。

在细胞表面和细胞外分子上发现的聚糖“装饰”参与了几乎所有重要的分子过程，从细胞内运输、蛋白质质量控制、蛋白质清除、细胞-细胞相互作用、细胞-基质粘附，到各种信号转导级联。在哺乳动物中已经发现了8种主要的糖基化途径，其中两种包含了大多数与疾病进展相关的糖基化机制。大多数情况下，N-聚糖和O-聚糖的末端位置都被唾液酸（sialic acids）覆盖。

图2：N和O链聚糖的模式

在这里，我们讨论了N-和O-链糖基化，唾液酰化和岩藻糖基化，以及它们在癌症中的作用。

N-链糖基化

N-链糖基化是一种重要的蛋白质翻译后修饰，在决定蛋白质折叠状态及寡聚化中发挥重要作用。N-聚糖的合成取决于特定的细胞类型和组织，产生由N-乙酰氨基葡萄糖（GlcNAc）和甘露糖残基（Man3GlcNAc2）组成的复杂聚糖。N-聚糖根据其侧链分支可分为三大亚型，如高甘露糖N-聚糖（被甘露糖残基拉长）、复合N-聚糖（GlcNAc的加入进一步延伸了高尔基复合体中的链）和混合N-聚糖（在高尔基复合体中将半乳糖或岩藻糖残基与甘露糖一起加入）。

N-糖基化是非常保守的，并且由位于内质网膜上的低聚糖基转移酶（OST）复合物催化。OST的功能是将聚糖与天冬酰胺残基结合到内质网腔内的新生多肽中。哺乳动物OST复合物包含几个亚基，包括核糖蛋白Tusc3/N33、MagT1、DAD1和STT3。

其中，STT3（STT3A和STT3B）在哺乳动物的n-糖基化机制中起着重要作用。这些OST复合物彼此不同；然而，STT3A和STT3B与多联寡糖（DLO）聚糖及其受体位点有中度重叠。STT3A特异性参与新生多肽的共翻译修饰，而STT3B负责内质网腔内多肽序列的翻译后变化。抑制OST复合物中的STT3A亚基可以增强哺乳动物细胞中的未折叠蛋白反应，从而导致癌症等病理并发症。STT3B亚型在多肽翻译后修饰过程中的作用是将多肽中被跳过的糖基化位点糖基化，这似乎受到内质网腔内新生蛋白折叠的限制。由于OST对底物的高特异性，其抑制会影响蛋白质的糖基化，从而扰乱细胞内蛋白质的适当折叠，并进一步扩展到各种病理条件。

N-聚糖被称为调节细胞内蛋白质拥挤环境的密度的分子绝缘体。N-聚糖的生物合成始于GlcNAc-P从UDP-GlcNAc转移到脂质前体磷酸（Dol-P），在内质网膜的细胞质面生成焦磷酸N-乙酰葡萄糖（Dol-P-PGlcNAc）。糖被添加到蛋白质中的Asn-XSer/Thr序列中，然后转移到内质网腔内。在糖苷酶和糖基转移酶催化的内质网腔内发生蛋白结合N-聚糖的重构。修饰后的蛋白进一步转移到高尔基体，在糖基转移酶和唾液酸转移酶的帮助下发生额外的修饰，形成复杂的N-聚糖。

O-链糖基化

蛋白质上的丝氨酸（Ser）或苏氨酸（Thr）氨基酸残基添加GalNAc残基的修饰称为O-糖基化，通常发生在高尔基复合体中的高分子量蛋白质中。O-链聚糖的生物合成被认为是一个比N-聚糖更直接和异质的过程，因为它不需要共有序列或多萜醇前体来合成。O-链聚糖的合成始于在还原性N端残基中添加糖，如顺-高尔基复合体中的O-N-乙酰氨基半乳糖、葡萄糖、甘露糖、岩藻糖和唾液酸。

O-链聚糖的合成通常由N-乙酰半乳糖胺转移酶启动，该酶催化将第一个GalNAc残基添加到完全折叠的蛋白质中的丝氨酸和苏氨酸氨基酸的羟基上。糖基转移酶通过在尿苷和三磷酸鸟嘌呤的帮助下添加单糖来负责线性和支链聚糖链的延伸。O-链聚糖的进一步延伸和终止是由高尔基复合体中的大量糖基转移酶完成的。高尔基体特异性糖基转移酶具有一个较短的胞质氨基N端II型跨膜结构域、膜锚定区和一个O端催化结构域。O-链聚糖具有多种生物学功能，包括造血、炎症反应和参与血型抗原。值得注意的是，O-糖基化粘蛋白主要在多种肿瘤细胞类型中表达，在癌症进展过程中通过诱导各种致癌信号分子促进细胞-细胞相互作用、细胞-基质相互作用。

Schachter和同事首次证明了猪和牛颌下腺半乳糖转移酶活性。由GalNAc转移酶作用产生的O-聚糖的结构可能包括八种Core结构。简言之，具有GalNAc残基的多肽被β1-3半乳糖基转移酶或T合成酶/C1GalT-1转化为核心1结构（Galβ1-3GalNAcα-Ser/Thr，也称为T抗原）。C1GalT-1的亚细胞定位几乎存在于所有类型的细胞中。存在于内质网中被称为COSMC的Core1合酶特异性分子伴侣是在高尔基体中合成活性C1GalT-1的必需物质。

活性C1GalT-1的缺失可能导致Tn和唾液化T抗原的表达解除。Tn抗原被认为是一种预后标志物，因为它们只出现在癌症组织中，而不是在健康组织中。T抗原和半乳糖凝集素-3与结肠癌和乳腺癌转移呈正相关。其中最重要的粘蛋白结构之一是Core1，它具有抗原特性。Core2酶-C2GnT（β1-6乙酰氨基葡萄糖转移酶）将Core1 O-聚糖转化为Core2，而不需要延伸、唾液化或岩藻糖基化过程。C2GnT酶通过调节糖基转移酶的表达模式和在细胞内的定位来高度控制粘蛋白的合成。C2GnnT是分支O-链聚糖的关键决定因素，而C2GnT水平的上调则导致了多种癌症的侵袭性和转移，包括前列腺癌和子宫内膜癌。Core3酶β1-3n-乙酰氨基葡萄糖转移酶（C3GnT）仅存在于唾液腺、呼吸道和胃肠道的粘液上皮细胞中。C3GnT聚糖参与了O-糖基化的分支和延伸。Core3聚糖的合成受GlcNAc-T活性的高度调控，可能利用GalNAcαSer/Thr作为反应底物，类似于Core11 Gal-T。

因此，Core3 O-聚糖的合成可能依赖于Core1 Gal T或Core3 Gal T，而不依赖于细胞类型或糖蛋白。Core3 GalT的酶作用参与了Core2 GlcNAcT的抑制；同时，Core2 GlcNAcT需要β1-3与Core3 GalNAc连接中的半乳糖残基。此外，Core3 O-聚糖是形成双天线Core4结构的组成部分。在粘液分泌组织（包括唾液腺、支气管、结肠组织）中观察到的Core3-和Core4-GlcNAcT活性增加。Core4酶参与支链聚n-乙酰乳胺结构的合成。Core5酶α3-GalNAc转移酶已在人胎粪和腺癌中被发现。Core6 β6-GlcNAc转移酶在人肠道和卵巢囊肿粘蛋白中特异性表达。Core7和Core8的生物学作用尚不清楚。Core7酶在牛颌下粘蛋白中被发现，Core8酶在人呼吸粘蛋白中被发现。有报道表明，O-聚糖合成酶表达的改变会导致肿瘤的发展、进展、侵袭和转移，这将在后面详细讨论部分聚糖的主要类型及其关键的糖基转移酶。

唾液酸化

唾液酸在高尔基定位唾液酸转移酶催化下添加到寡糖和糖缀合物的末端被称为唾液酸化。唾液酸是一种九碳糖，它策略性地修饰聚糖末端，并作为细胞和周围基质之间的连接分子发挥作用。将唾液酸添加到GalNAc或半乳糖（Gal）单元的N-和O-链聚糖上，得到具有广泛结构多样性的唾液酸化聚糖。N-和O-链聚糖上的不同羟基和α-链唾液酸之间的结合是通过20个具有立体选择性的唾液酸转移酶家族来形成的。

唾液酸转移酶的结构、功能和作用机制已经在之前进行了详细的综述。生理上，唾液酸给唾液化糖蛋白和糖脂带来负电荷，这有助于糖缀合物的生物物理和生理功能。病理上，唾液酸表达的差异与多种疾病有关。已在许多转化的肿瘤细胞中发现了唾液酰化模式的明显变化。我们已经报道了唾液酰Tn（STn）抗原的过表达与胰腺癌细胞的恶性潜能的增加相关。在膀胱肿瘤中，唾液糖型优于中性糖型已被报道。值得注意的是，MUC16-STn糖型在预后较差的晚期膀胱肿瘤中被发现。这个MUC16上STn抗原可作为鉴别子宫内膜异位症和卵巢癌的诊断工具。相反，研究表明，用抑制剂抑制唾液酸转移酶可以减少癌症转移。

岩藻糖基化

岩藻糖基转移酶催化将岩藻糖从GDP岩藻糖转移到其底物的过程称为岩藻糖化。研究表明，在普通情况下，在GDP-甘露糖4,6-脱水酶和GDP-4-酮-6-脱氧甘露糖-3,5-二聚酶-4-还原酶催化下，GDP甘露糖转化为GDP岩藻糖的胞质溶胶中，从头途径合成了90%的GDP-岩藻糖。在挽救途径中，胞质溶胶中的L-岩藻糖在GDP岩藻糖磷酸化酶和岩藻糖激酶的催化下转化为GDP岩藻蔗糖。细胞表面的大多数分泌型糖蛋白和膜结合型糖蛋白正在进行岩藻糖基化。

通常，岩藻糖基化被称为末端聚糖结构的合成；因此，将岩藻糖残基转移到聚糖上被认为是糖基化过程的结束。根据岩藻糖的位置，岩藻糖基化分为核心岩藻糖化和末端岩藻糖糖基化。岩藻糖基转移酶（FUT）是催化岩藻糖化的主要酶。到目前为止，已经鉴定出13种类型的FUT，其中FUT1-11存在于已知催化N-连接岩藻糖基化的高尔基体中。O-连接岩藻糖基化由ER中存在的O-岩藻糖转移酶催化。FUT8参与末端岩藻糖基化机制，其余的FUT催化核心岩藻糖基化机制。

在生理学上，岩藻糖基糖蛋白在确定ABO血型、维持健康的微生物组、调节认知过程等方面发挥着关键作用。最著名的岩藻糖基多糖是ABO血型抗原。病理学上，异常的岩藻糖基化与各种癌症有关。据报道，FUT8是合成癌症相关N-聚糖结构的负责因素。研究发现，与健康脑组织相比，胶质母细胞瘤组织中具有单核岩藻糖基化的二元半乳糖基化结构（A2G2F）的量高出约2.9%。N-聚糖岩藻糖基化增加被确定为检测结直肠癌发生的生物标志物。FUT8被发现是II期和III期癌症患者的预后标志物。FUT6高水平与癌症进展之间的正相关已被证实。此外，CD44岩藻糖基化触发PI3K/AKT/mTOR信号通路，促进结肠癌症进展。岩藻糖基化碳水化合物表位CD15和唾液酸化CD15被认为是血脑屏障破坏和循环癌症细胞向脑实质迁移以促进脑转移的决定因素。

神经节苷脂岩藻糖基-GM1（FucGM1）是一种在小细胞肺癌中高比例表达的肿瘤相关抗原。一项临床前研究发现，特异性结合FucGM1的人IgG1抗体BMS-986012在抑制肿瘤进展方面非常有效。据报道，通过较少的核心岩藻糖基化对E-cadherin进行翻译后修饰可以激活癌症细胞中的EMT。95C肺癌细胞中的E-cadherin核心岩藻糖基化抑制癌症细胞的迁移，而95D肺癌细胞中FUT8的敲低增强了癌症细胞的迁移。研究表明，FUT8表达的抑制通过影响E-cadherin的核心岩藻糖基化，从而影响下游FAK/整合素途径，从而显著影响乳腺癌症细胞的迁移。研究表明，含有管腔乳腺癌细胞产生的末端岩藻糖基聚糖的簇合素与髓样细胞中的凝集素受体相互作用，并在肿瘤进展中发挥作用。FUT1下调导致溶酶体相关膜蛋白-1和-2的核周定位，与乳腺癌症细胞自噬流量增加相关。总之，这些研究表明，异常岩藻糖基化与癌症细胞的增殖、迁移、侵袭和转移增加有关，这为该领域的进一步探索提供了空间。